【奈米製程新突破!】全球首創「蠶絲硬碟」問世,你的資料未來可能存在小小蠶繭中

【我們為什麼挑選這篇文章】一直以來,科學家和工程師都不斷地在探索新型態的訊息/數據儲存方法,希望可以在最有效的空間內做最大的儲存。目前光學儲存密度已提高到每平方英寸數百 GB,但製程複雜,使用效率並不高;中國科學家結合散射型掃描近場光學顯微鏡(s-SNOM)與蠶絲蛋白,研發「蠶絲硬碟」,目前有 64 GB 的容量,未來數據儲存的方法還會有什麼新突破?(責任編輯:賴佩萱)

想到蠶絲你會聯想到什麼?蠶絲被?面膜?

最近,來自中國科學院、美國紐約州立大學石溪分校和德州大學奧斯汀分校的聯合課題組,首次實現了基於蠶絲蛋白的高容量、可重寫的生物存儲技術。

也就是說,未來,你的數據可能不需要再儲存在半導體上,而是一個蠶繭中。

突破半導體製程的數據保存法—蠶絲硬碟

項目的主要參與者、中國科學院上海微系統與訊息技術研究所研究員、博士生導師、上海微系統所 2020 前沿實驗室主任陶虎今天在接受《澎湃新聞》採訪中表示,這款「蠶絲硬碟」除了能存訊息,還能裝東西,比如血液樣本、DNA、疫苗,甚至可以植入生物體。

突然就有了科幻的感覺,天然生物蛋白也可以作為儲存訊息的介質了!

8 月 10 日,陶虎團隊的相關論文《A rewritable optical storage medium of silk proteins using near-field nano-optics》發表在了《自然奈米技術》(Nature Nanotechnology)上。

這篇論文的摘要中提到,生物相容性材料中的奈米級光刻和訊息儲存,為諸如生物電子學和可降解電子學等無法使用傳統半導體製造技術的應用提供了可能性。

陶虎在澎湃新聞記者的採訪中提到,「蠶絲硬碟能同時存儲數字訊息和生命訊息;其生物兼容性良好, 可以植入活的生物體,比如人體,長期保存甚至永久保存 ,像電影中士兵佩戴的銘牌一樣,製成永不丟失的生命銘牌;又能根據設定,製成壽命可控的時間膠囊,可控地降解,可控消失。它有望在外太空等極端條件下保存訊息。」

光學光刻法製程複雜,儲存密度難提升

蠶絲蛋白是一種以其強度和生物相容性聞名的天然蛋白質,已在此背景下得到了廣泛的研究。

在論文中,陶虎團隊介紹了使用蠶絲作為奈米光刻和數據儲存的生物功能介質。作為一種光儲存介質, 目前蠶絲硬碟的存儲容量已可達每平方英寸 64 GB。而且,研究表明,蠶絲在各種惡劣條件下均具有長期穩定性。

其實,在過去的二十年中,人類一直在探索訊息儲存的光刻策略,包括使用深紫外或極紫外光源,雙光束系統和三維儲存架構的光刻策略,已經將光學儲存密度提高到每平方英寸數百 GB。

然而,為了獲得高空間分辨率,這些方法都不可避免地需要複雜的製造過程,這些過程在時間和成本上,效率都很低。此外,常規的光學光刻法受到衍射極限的限制,阻止了儲存密度的進一步提升的發展。

新型顯微鏡為奈米製程提供新解方

陶虎團隊在論文摘要中提到,IBM 開發一種基於原子力顯微鏡(AFM)的數據存儲方案「Millipede」,該方案具有以 30 的高數據寫入和讀取速率實現每平方英寸多 TB 級的容量、40 nm 空間分辨率的能力。儘管這項工作代表了技術上的飛躍,並導致了對基於探針的儲存方案的進一步研究,但商業應用仍然遙遙無期。

散射型掃描近場光學顯微鏡(s-SNOM)為高分辨率奈米技術提供了一個有希望的製造可能,特別是在軟質材料上,可以實現超出衍射極限的超分辨率成像。

s-SNOM 產生的近場倏逝波是誘導局部受限高場光學異常有效的工具,這使得在奈米級上製造光敏結構,操作和特性化為可能;尤其是,倏逝波已被用於處理材料表面的奈米級特徵,以及用於製造光學奈米器件和聚合物材料的奈米蝕刻。

由於中紅外 s-SNOM 的微創性,不需要真空且對蛋白質構象的敏感性,這些生物材料可以固定化並與細菌、病毒、酶和生物標記物等生物實體相互作用,透過開發中紅外 s-SNOM 的光刻功能,同時保留成像功能,奈米尺度操作和功能生物材料的特徵可以因此集成到一個單一的平台。

這個閉環光刻平台可以簡化仿生製造,並提供基於探針的儲存方案來儲存和操縱生物訊息。

絲綢蛋白是非常適合的生物材料

為了提高光刻效率以及隨後在生物材料中的訊息儲存、介質材料、入射光和光子之間的協同作用,必須優化介質材料、入射光和掃描頭的性能之間的協同作用。在這種情況下,由桑蠶衍生而來的天然存在的環蛋白絲素蛋白就非常適合。

作為一種生物相容的「綠色」介質,蠶絲在暴露於電子、離子束或光後會經歷奈米級的多晶型轉變。陶虎團隊在論文中發現,尖端增強型近場紅外奈米光刻(TNINL)可以誘導絲蛋白層的受控形貌和/或相變,其半峰全寬(FWHM)的空間分辨率約為 35 nm。

這些圖案具有 100 nm 的間距,相當於 64 GB 平方英寸的存儲容量,並且可以重複寫入和擦除。

如何在蠶絲硬盤上「寫入」和「擦去」數據(圖片來源:《澎湃新聞》受訪者供圖)

更值得一提的是, 蠶絲因其機械強度、生物相容性、生物降解性,易於功能化和可調節的水溶性而久負盛名 。這些有利的特性使我們研究了絲綢蛋白作為可重寫的光學儲存介質,訊息可以在嚴酷的環境下保留。

也就是說,好萊塢大片中常常出現的,通過微波爐高溫銷毀、或者砸壞硬盤破壞存儲能力的方式在蠶絲硬盤身上怕是不能奏效了。並且,這些特性也讓蠶絲儲存可以用於太空勘測等高溫高壓的使用環境。

(本文經合作夥伴 大數據文摘 授權轉載,並同意 TechOrange 編寫導讀與修訂標題,原文標題為 〈全球首款“蠶絲硬盤”!耐高溫可重寫,能存 DNA,還能植入人體 〉。)

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